沖旋步進鉆井提速方法的井底裂紋拓展特性

基金項目：國家重點研發計劃政府間國際科技創新合作重點專項“超高壓射流與機械沖擊耦合深層地熱鉆井提速技術”（2021YFE0111400）；中國石油天然氣集團有限公司重大科技項目“塔里木盆地深層油氣高效勘探開發理論及關鍵技術研究”之子課題“深層復雜條件鉆井提速方法與關鍵技術研究”（ZD2019-183-005）；國家自然科學基金面上項目“油氣井筒內管柱載荷對其聲傳播的影響規律及調控機制”（52074324）。

Liu Yongwang，Liu Jiaxiong，Guan Zhichuan，et al.Propagation characteristics of bottomhole cracks created by the percussive-rotary stepping drilling ROP improving method45-53，106

針對深部地層井底巖石硬度高、強度大和應力集中現象導致的巖石可鉆性差、破巖效率低和使用壽命短的問題，提出旋沖鉆井和差壓步進破巖方法相結合的沖旋步進鉆井提速新理念。為了研究沖擊作用下差壓步進鉆頭破碎地層巖石的裂紋拓展規律，采用有限-離散元（FDEM）方法建立了球齒沖擊三維薄板模型，開展了球齒在不同沖擊能量、沖擊位置及巖石種類等條件下的沖擊破巖過程模擬，獲得了階梯型井底巖石在沖擊作用下的裂紋擴展規律。研究結果表明：由于階梯面的存在，球齒在沖擊作用下對階梯型井底造成的預損傷區域比常規井底更大，沖擊位置靠近階梯面的裂紋擴展效果更好；雙球齒沖擊階梯井底容易形成較大范圍的巖石破碎區，降低了破碎階梯井底地層巖石的難度；球齒沖擊過程中對青砂巖造成的預損傷區域比花崗巖大，在沖擊能量相同的情況下球齒沖擊破碎花崗巖更為困難。利用沖旋步進鉆井方法理論上可以進一步提高難鉆地層鉆井速度，但具體效果需要經現場試驗及優化。所得結論可為深部難鉆地層鉆井速度的提升提供新的思路。

沖旋步進鉆井方法；階梯井底；差壓步進鉆頭；有限-離散元耦合；裂紋擴展

TE242

A

006

Propagation Characteristics of Bottomhole Cracks Created by the

Percussive-Rotary Stepping Drilling ROP Improving Method

Liu Yongwang1，2" Liu Jiaxiong2" Guan Zhichuan1，2" Wang Huajian2" Zhao Guoshan3" Zhang Shuhui4

（1.National Key Laboratory of Deep Oil and Gas，China University of Petroleum （East China））; 2.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum （East China）; 3.Shengli Directional Drilling Service Company，Sinopec Matrix Corporation; 4.State Key Laboratory of Oil amp; Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University）

In order to solve the problems of poor rock drillability，low rock-breaking efficiency and short service life caused by high hardness，high strength and stress concentration of bottomhole rock in deep formations，a new concept of ROP improvement by percussive-rotary stepping drilling combining percussive-rotary drilling and differential pressure stepping rock-breaking method was proposed. In order to study the crack propagation" law in formation rocks broken by differential pressure stepping bit under impact，an spherical button impact 3D sheet model was built using the finite-discrete element method （FDEM）. The percussive rock-breaking process of the spherical button under conditions such as different impact energies，impact positions and rock types was simulated，obtaining the crack propagation law of stepped bottomhole rocks under impact. The research results show that due to the presence of stepped face，the predamage area caused by spherical button under impact in the stepped bottom hole is larger than that in the conventional bottom hole，and the crack propagation effect is better when the impact position is close to the stepped face. The double spherical button impact at stepped bottom hole is prone to forming a relatively extensive rock-breaking area，reducing the difficulty of crushing the formation rocks at stepped bottom hole. The predamage area caused by spherical button impact in blue sandstone is larger than that in granite，and under the same impact energy，the crushing of granite by spherical button impact is more difficult. The percussive-rotary stepping drilling method can theoretically further improve the drilling speed in bad ground，but the specific effect needs to be tested and optimized on site. The research conclusions provide new ideas for improving drilling speed in deep bad ground.

percussive-rotary stepping drilling method; stepped bottom hole; differential pressure stepping bit; finite-discrete element coupling （FDEM）; crack propagation

0" 引" 言

深層超深層油氣資源高效開發已成為中國能源接替領域重要的研究方向［1］，深井超深井鉆井是深層超深層油氣資源高效開發的必備工藝。而地層堅硬可鉆性差、機械鉆速低、鉆井周期長是目前提高鉆井速度面臨的挑戰之一，提高鉆井速度成為深井超深井領域研究的熱點方向［2-3］。為了提高機械鉆速，目前采用如下方法：提升整體鉆井參數（如鉆壓、轉速、泵壓等）、強化瞬時鉆井參數（如旋沖工具、扭沖工具、復合沖擊工具等）、延長破巖工具使用壽命（如PDC切削齒、PDC齒脫鈷、異形齒等）及穩定破巖鉆進過程（減震工具、雙擺鉆具、恒扭矩工具等），其中旋沖鉆井破巖方式具有提速效果顯著、軟硬地層破巖效果良好等優點，是提高鉆頭破巖效率和機械鉆速的有效途徑之一［4-9］。2015年，中國石油大學（華東）劉永旺、管志川教授提出弱化地層抗鉆特性來提高鉆井速度的差壓步進鉆進方法，并研發了差壓步進鉆頭［10］，開展了室內及現場試驗，提速效果顯著，但能否在差壓步進鉆進基礎上再次提高鉆速，值得深入研究。為此，結合旋沖鉆井破巖方式及差壓步進鉆進方法，筆者提出了沖旋步進鉆井提速方法［11］，擬研究沖擊作用下差壓步進鉆頭破碎地層巖石的裂紋拓展規律，準確模擬切削齒在沖擊載荷下的動態破巖過程，獲取不同沖擊位置、沖擊能量、巖石種類等因素對沖擊破巖行為的影響規律，探索階梯型井底巖石在沖擊作用下的破巖特性，論證其提速可行性，為深部難鉆地層鉆井速度的提升提供新的思路。

1" 沖旋步進鉆井提速方法

差壓步進鉆頭能通過形成階梯型井底釋放井底部分原地應力，弱化地層抗鉆特性且集中鉆壓強化鉆頭攻擊能力提高鉆進速度；旋沖鉆井可以通過增加鉆頭破巖能量、改變鉆頭破巖方式來提高破巖能力、提高鉆進速度。基于上述觀點，中國石油大學（華東）提出了沖旋步進卸荷破巖的理念，將旋沖破巖和差壓步進鉆進方法相結合，在差壓步進鉆頭上施加沖擊載荷，既能發揮旋沖鉆井提速的優點，又能利用差壓步進式破巖的特點合理調節鉆壓和轉速。差壓步進鉆頭結構如圖1所示。

當差壓步進鉆頭旋轉鉆進時，能夠破碎巖石形成階梯型井底，領眼鉆頭鉆進使得領擴眼交接處巖石形成階梯面，階梯面附近巖石在破碎過程中受到地層巖石束縛較少，能顯著降低擴眼鉆頭處巖石應力，提高破巖效率；當對鉆頭施加沖擊載荷時，一方面沖擊載荷增加了鉆頭破碎井底巖石的能量，另一方面沖擊載荷下差壓步進鉆頭鉆進時由于階梯面的存在，切削齒沖擊巖石時旋沖鉆進應力波和階梯面反射的應力波在巖石內部交匯重疊，造成裂紋的擴展和交匯，降低了地層巖石的抗鉆能力。

2" 球齒沖擊三維薄板破巖特性研究

進行沖擊破巖的數值模擬需要準確獲取地層巖石的破裂過程和裂紋拓展數據，有限元法（FEM）適用于彈塑性變形等連續力學問題，卻無法模擬巖石破碎過程中裂紋動態的萌生擴展過程；離散元法（DEM）能夠表征巖石細觀結構及演化過程，適用于不連續介質問題，卻沒有考慮彈塑性變形等連續性問題。20世紀90年代Munjiza等提出有限-離散元法（FDEM），該方法既可以模擬巖石的彈塑性變形等連續力學問題，也可以模擬地層巖石的損傷破裂、裂紋擴展等非連續變形行為。近年來，許多學者致力于FDEM的研究與工程應用：WEI.D.H.等［12］驗證了其有效性；在破巖方面，WEI.D.H.等［12-17］探討了FDEM模擬PDC齒破巖的可靠性，有效證明了該方法可以捕捉到切削過程中的裂紋萌生、擴展、分枝、合并以及碎片間的接觸；在沖擊破巖研究方面，楊宏宇等［18］、程樹范等［19］采用該方法模擬了機械沖擊破巖過程，有效證明了其模擬沖擊破巖的可靠性。基于此，本文采用FDEM研究球齒沖擊差壓式井底的裂紋擴展變化規律。

2.1" 球齒沖擊地層巖石模型建立

由于全尺寸差壓步進鉆頭沖擊破碎地層巖石模型設置復雜、計算量過大，為了節約計算時間、提高精度并便于觀察裂紋，將地層巖石模型簡化為有厚度的三維薄板，切削齒選擇為球齒。圖2為球齒沖擊地層巖石的數值計算模型。球齒的尺寸為16 mm×20 mm×0.5 mm，巖石為600 mm×600 mm×0.5 mm的薄板，階梯井底領眼鉆頭鉆進區域直徑為155.6 mm，擴眼鉆頭鉆進區域直徑為311.2 mm。對巖石部件采用楔形網格劃分，其中擴眼鉆頭鉆進區域與井壁交接處155 mm×130 mm進行網格加密。采用0.5 mm的楔形網格C3D6單元，節點總數264 946， 單元總數123 536，共劃分基體單元63 122個，在基體單元之間插入三維黏結單元COH3D8共62 087個；其他部位選擇楔形網格C3D6單元，節點總數共23 980個，基體單元總數為22 961個。

對三維薄板邊界處設置固定邊框部件，對固定邊框施加完全約束，邊框采用0.5 mm的C3D6網格，節點總數21 630個，單元總數14 416個。此外，圍壓通過兩側的邊框部件施加到地層巖石上，巖石材料參數選擇青砂巖和花崗巖（參數見表1）；球齒的密度為15.4 g/cm3，彈性模量為890 GPa，泊松比為0.077。

采用ABAQUS的動力explicit求解器，球齒與巖石之間采用面和面的通用接觸，切向采用罰摩擦接觸，取摩擦因數為0.4，法向作用選擇硬接觸［20］。由于實際工況中沖擊作用發生在瞬時之間，分析步大小設置為0.000 4 s，以預定義場的形式給切削齒施加一個初速度沖擊巖石。當切削齒沖擊巖石、沖擊能量耗盡且巖石裂紋停止擴展時，沖擊過程結束。為了節約計算時間，切削齒在沖擊作用發生前與井底巖石的距離設置為0.1 mm；為了便于觀察單齒沖擊作用下裂紋擴展情況，巖石基體單元不選擇單元刪除。

2.2" 沖擊作用下常規井與階梯井裂紋擴展對比

階梯型井底和常規井底的區別主要在于領眼鉆頭鉆進形成的階梯面，在無圍壓的條件下，球齒以4.5 m/s的初始速度沖擊常規PDC井底和階梯井井底距離軸心90 mm處的固定位置（沖擊位置距離階梯面12.2 mm）。為了更加準確地分析球齒沖擊常規PDC井底和階梯井底裂紋萌生擴展的差異，圖3定量統計了2種井底裂紋擴展的破裂單元數量、裂紋最大縫寬、裂縫面積和Ⅰ型裂紋占比。

由圖3a可知，球齒在沖擊常規PDC井底和階梯型井底過程中，破裂單元數量緩慢增長且呈現階梯型增長。階梯代表單次沖擊作用，破裂單元數量急劇上升表明球齒與較為完整的地層巖石逐漸接觸造成巖石體積破碎。在初始沖擊時刻，階梯型井底破裂單元數量略低于常規井底，0.25 ms后階梯型井底破裂單元數量較常規井底更高，0.40 ms時階梯井底破裂單元數量極大值更高，表明球齒沖擊作用對階梯井底地層巖石造成的預損傷區域比常規井底大。造成這種現象的原因可能是階梯面的存在使得沖擊作用下階梯井底地層巖石更容易破碎。

由圖3b可知，常規井底和階梯井底的裂紋最大縫寬隨沖擊時間延長呈非線性增長，沖擊前期常規井底和階梯井底的最大縫寬相差不大，但0.15 ms后階梯井底的最大縫寬較常規井底增大。

由圖3c可知，沖擊前期常規井底和階梯井底的裂縫體積相差不大，在0.14 ms后階梯井底的裂縫體積遠大于常規井底。

由圖3d可知，初始階段常規井底和階梯井底的Ⅰ型張拉破碎裂紋占比波動較大，此時是應力波作用階段；隨著沖擊時間的延長，2種井底的Ⅰ型裂紋占比呈交錯增長趨勢。這說明球齒沖擊常規井底和階梯井底時張拉破碎比例相近。

2.3" 球齒沖擊階梯井底不同位置時裂紋擴展規律

研究球齒在不同沖擊位置（距離階梯面6、26和46 mm）時沖擊階梯井底的裂紋擴展特征，球齒以4.5 m/s的速度沖擊階梯井底不同位置時的裂紋擴展情況如圖4～圖6所示。

球齒沖擊階梯井底時由于邊界效應的存在，初始時刻主裂紋沿著球齒沖擊位置正下方萌生，最終傾向于沿著靠近階梯面的方向擴展；當裂紋尖端擴展至階梯面時，可能是由于沖擊能量趨于耗盡，裂紋擴展速度逐漸緩慢。當沖擊位置距離階梯面較近（6 mm）時，主裂紋表現為向球齒左下方、右下方和齒下區域萌生擴展（見圖4）并較快與階梯面貫通，同時在沖擊位置附近形成數量較多的徑向裂紋和諸多細小的微裂紋；當沖擊位置與階梯面距離適中（26 mm）時，主裂紋表現為向球齒沖擊位置齒下區域和右下方萌生擴展（見圖5），齒下區域擴展的主裂紋在齒下區域約60 mm處沿左下方60°與階梯面交匯貫通；當球齒沖擊位置距離階梯面較遠（46 mm）時，主裂紋沿齒下區域擴展約70 mm時仍向階梯面方向不斷擴展（見圖6），裂紋轉角近乎達90°。

球齒沖擊階梯井底不同位置（距離階梯面6、26、46 mm）時的裂紋擴展數據如圖7所示。

由圖7a可以看出，沖擊位置靠近階梯面（6 mm）和遠離階梯面（46 mm）時破裂單元數量的變化規律和大小基本一致，沖擊位置適中（26 mm）時破裂單元數量較其他兩者更高，說明沖擊位置與階梯面距離適中時能產生更多的微裂紋。

由圖7b可以看出，隨著沖擊位置與階梯面距離的增加，裂紋體積減小。結合圖4～圖6可知，球齒與巖石接觸區域的粉末狀顆粒數量也在減少，說明在沖擊能量相同的情況下，沖擊位置距離階梯面越近越容易破碎巖石；對比圖4d、圖5d、圖6d可知，沖擊位置靠近階梯面時球齒沖擊區域正下方的裂紋分布越密集，此時諸多細小的微裂紋相互貫通，將階梯面被剝落的大塊巖屑破碎為小塊巖屑，有利于降低破碎巖石難度。

由圖7c可知，隨著沖擊位置與階梯面距離的增加，裂紋的最大縫寬在相同的分析步時長依次降低，球齒沖擊使得靠近階梯面位置的地層巖石更容易破碎。

由圖7d可知：球齒沖擊初始階段時，沖擊位置靠近階梯面的地層巖石Ⅰ型張拉破碎裂紋占比極大值（0.5左右）更高；除初始時刻（0.1 ms后）外，沖擊位置靠近階梯面（6 mm）的Ⅰ型張拉裂紋占比趨于穩定（0.5左右）；沖擊位置與階梯面距離適中（26 mm）或較遠（46 mm）時，Ⅰ型張拉裂紋比例呈緩慢增長趨勢，并在沖擊后期超過沖擊位置靠近階梯面（6 mm）的張拉裂紋占比。綜合分析可得，沖擊位置靠近階梯面時地層巖石更容易破碎，可有效降低破巖難度。

2.4" 球齒不同能量沖擊階梯井底時裂紋拓展規律

圖8為球齒以不同能量沖擊階梯井底時的裂紋擴展數據。

由圖8a可知，當球齒以不同初始沖擊速度（3.0、6.0、7.5、9.0 m/s）沖擊階梯井底（距離階梯面10 mm）時，隨著沖擊能量的增加，階梯井底破裂單元數量呈階梯型增長趨勢，區別在于沖擊能量越大時階梯高度越高，裂紋擴展效果越好。

由圖8b可知，沖擊能量越高，破裂單元體積越大，且整體呈現線性增長趨勢；結合圖8a和圖8b可知，沖擊能量越高，破裂單元數量和裂縫體積越大，意味著對階梯井底巖石造成的預損傷區域越大，有利于提高破巖效率。

由8c可知，階梯井底的裂縫面積也呈現階梯型增長的趨勢，其規律與破裂的離散單元數量增長規律一致。

由8d可知，沖擊能量越高，階梯井底Ⅰ型張拉裂紋占比也越高，初始沖擊時刻Ⅰ型張拉裂紋占比急速上升又迅速下降，在隨后的沖擊時間內，Ⅰ型裂紋的占比復雜多變，但整體呈現上升趨勢。由此可見，沖擊能量越高，階梯井底Ⅰ型張拉裂紋占比也越高。

2.5" 雙球齒沖擊階梯井底過程應力波擴展規律

雙球齒沖擊階梯井底過程裂紋萌生擴展應力波示意圖如圖9所示。

由圖9可知，球齒沖擊地層巖石過程中，率先在齒尖處出現應力集中并產生應力波向四周傳遞。由于內部同時存在壓應力和拉應力的作用，巖石呈現為拉伸和剪切的混合開裂。隨著球齒的持續沖擊，齒下區域的巖石持續向下擠壓，與已破碎區域的巖石形成位移差，導致了裂紋的擴展。雙球齒以4.5 m/s的速度沖擊階梯井底（球齒沖擊位置分別距離階梯面6和26 mm）時，初始時刻球齒的應力波在各自沖擊位置以半圓形向外擴散，距離階梯面較近（6 mm）的球齒應力波逐漸沿著階梯面傳播；距離階梯面較遠（26 mm）的球齒應力波逐漸沿著左下方傳遞，在0.06 ms時（見圖9b）兩股應力波交匯并繼續沿著階梯面方向傳遞。形成這種現象的原因是左側球齒沖擊位置與階梯面距離太短，應力波很快傳遞到階梯面并反射，使得巖石內部形成拉伸破壞。

當應力波反射到雙球齒中間區域正下方時，與雙球齒裂紋擴展過程中萌生的諸多微裂紋貫通，形成長裂紋；同時，沖擊破巖能量相較于常規井底更加集中，長裂紋與右側球齒沖擊形成的主裂紋之間的微裂紋進一步貫通，原本難以剝落的大塊巖石內部容易形成較大范圍的巖石破碎區，降低了破碎階梯井底地層巖石的難度。

2.6" 球齒沖擊階梯型花崗巖井底裂紋拓展規律

圖10為球齒以不同能量沖擊階梯型花崗巖井底時裂紋擴展數據。

由圖10a和圖10d可知，沖擊能量不同時，花崗巖破碎單元數量和三維裂縫面積均呈現近似線性增長規律，在0.4 ms時，沖擊初速度為6 m/s的破裂離散單元數量約為沖擊初速度為3 m/s時的1.5倍。

由圖10b可知，球齒以初速度6 m/s沖擊破碎花崗巖時，裂紋體積遠大于沖擊初速度為3 m/s時的裂紋體積。分析得出沖擊能量較低時，裂紋體積呈線性增加趨勢且增長較為緩慢；而沖擊能量較高時，巖石破裂體積呈現先增大后減小再緩慢增加的趨勢。

由圖10c可知，沖擊能量不同時，球齒沖擊階梯型花崗巖井底裂紋最大縫寬變化趨勢大體一致；但沖擊初速度為6 m/s時最大縫寬的極大值約為沖擊初速度為3 m/s時的5倍。

將球齒在相同位置沖擊階梯型青砂巖井底（見圖3）和階梯型花崗巖井底（見圖10）對比可知：由于巖石特性的差異，青砂巖在沖擊后期破裂單元數量較花崗巖多，表明球齒沖擊過程中對青砂巖造成的預損傷區域比花崗巖大；由于花崗巖比青砂巖更堅硬，在沖擊能量相同的情況下球齒沖擊破碎花崗巖更為困難。

3" 結" 論

（1）在沖擊作用下，球齒對階梯井底造成的預損傷區域比常規井底更大。球齒沖擊階梯井底不同位置時裂紋擴展情況不同，沖擊位置靠近階梯面時地層巖石更容易破碎，可有效降低破巖難度；沖擊能量越高，地層破裂單元數量和裂縫體積越大，意味著對階梯井底巖石造成的預損傷區域越大，有利于提高破巖效率。

（2）雙球齒沖擊階梯井底導致應力波交匯，使得裂紋擴展過程中萌生的微裂紋貫通形成長裂紋，同時沖擊破巖能量相較于常規井底更加集中，使得原本難以剝落的大塊巖石內部容易形成較大范圍的巖石破碎區，降低了破碎階梯井底地層巖石的難度。

（3）球齒沖擊過程中對青砂巖造成的預損傷區域比花崗巖大。由于花崗巖比青砂巖更堅硬，在沖擊能量相同的情況下，球齒沖擊破碎花崗巖更為困難。

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第一劉永旺，教授，博士生導師，生于1983年，2013年畢業于中國石油大學（華東）油氣井工程專業，獲博士學位，現從事高效破巖方法與鉆井提速技術、定向井軌跡控制理論與方法及鉆井裝備與井下工具開發等研究工作。地址：（266580）山東省青島市。email：liuyongwang@upc.edu.cn。

2024-02-27

任武